本文对原子力显微镜的设计和操作作了基本介绍。 以下部分涵盖了帮助理解原子力显微镜的构造和操作的基本概念和技术。要完全理解原子力显微镜的工作原理，理解这些部分的内容是至关重要的。 维度和放大原子力显微镜最适合测量非常小的表面特征，因此熟悉被测量特征的尺寸是很重要的。原子力显微镜能够成像小到碳原子大到人的头发横截面的特征。一个碳原子的直径约为0.25纳米(nm)，而一根头发的直径约为80微米(чm)。 在原子力显微镜中测量的常用尺寸单位是纳米。一纳米是一米的十亿分之一: 1米= 10亿纳米 1微米= 1000纳米 另一个常用的度量单位是埃。一纳米有十埃(Е): 1纳米=10埃 原子力显微镜中的放大率是指当在计算机屏幕上观看时，特征的实际尺寸与特征尺寸的比率。因此，当在500毫米计算机显示器（20英寸显示器）上查看头发的整个横截面时，放大率为： 放大率=500 mm/.08 mm=6250 X 在超高分辨率成像的情况下，图像的整个视场可能是100纳米。在这种情况下，500mm电脑屏幕上的放大率为: 放大倍数= 500 mm/(100 nm*1 mm/1,000,000 nm)=5,000,000 X 压电陶瓷传感器机械运动由电能和机电换能器产生。洗衣机中使用的电机是最常见的机电转换器类型。原子力显微镜中最常用的机电换能器是压电陶瓷。 压电材料置于电场时，其几何形状会发生变化。运动的量和方向取决于压电材料的类型、材料的形状和场强。图1显示了压电圆盘在电势作用下的运动: 
图1所示。当电压加到压电圆盘的上表面和下表面时，圆盘就会膨胀。 一种典型的压电材料每施加一伏特就会膨胀约1纳米。因此，为了得到更大的运动，通常要用几百层压电材料制作压电换能器，如图2所示。欧洲杯足球竞彩 
图2。在这堆压电片的顶部和底部表面施加电压，会导致整个堆栈扩大。膨胀的量取决于施加的电压、压电材料和磁盘的数量 通过使用1000层压电材料，有可能得到高达1000纳米每伏特的运动。因此，在100伏特的情况下，多层压电换能器有可能获得0.1毫米的运动。 力传感器原子力显微镜的构造需要一个力传感器来测量小探针和被成像表面之间的力。一种常见的力传感器利用了悬臂梁的运动和所施加的力之间的关系。胡克定律给出的关系式是: F = - K * d K是一个常数，取决于悬臂的材料和尺寸。D是悬臂的运动。对于由硅制成的悬臂梁，其尺寸为： L = 100微米 W=20微米 T = 1微米 力常数K约为1牛顿/米。因此，如果悬臂梁移动1纳米，则需要1纳米牛顿的力。 可以使用“光杠杆”方法测量悬臂的运动。在光杠杆法中，光从悬臂梁的背面反射到光电探测器中。参见图3。 
图3。光杠杆传感器使用激光束来监测悬臂的偏转。当悬臂梁上下移动时，光束就会穿过光探测器的表面。 然后，悬臂梁的运动与光电探测器的输出成正比。在原子力显微镜中，小到1纳米的运动通常是用“光杠杆”方法测量的。 反馈控制反馈控制通常用于保持一个物体的运动与另一个物体的固定关系。反馈控制的一个简单例子发生在你走在人行道上的时候。当你走在人行道上时，你不断地通过观察人行道的边缘来控制你的动作。如果你开始离开人行道，你要纠正你的动作，让你留在人行道上。反馈控制通常用于许多常见的应用，如自动控制飞机和建筑物的温度控制。在AFM中，反馈控制用于在测量扫描时保持探头与表面的“固定”关系。 原子力Microscope原子力显微镜的原理和操作类似于手写笔分析器。主要的区别在于，在原子力显微镜中，探针对表面的作用力要比手写分析器小得多。因为AFM中的力要小得多，所以可以使用更小的探针，分辨率也比手写分析器高得多。 AFM理论在AFM中，当探针在表面进行光栅扫描时，探针和样品之间保持恒定的力。通过监测探头的运动，因为它是扫描表面，表面的三维图像被构建。 恒力是通过“轻杠杆”传感器测量力，并使用反馈控制电子电路来控制Z压电陶瓷的位置来保持的。见图4。 
图4。该图显示了轻杠杆原子力显微镜的主要组成部分。X和Y压电陶瓷用于扫描探头的表面。 探针在表面上的运动由压电陶瓷产生，压电陶瓷在X和Y方向上移动探针和力传感器穿过表面。 AFM测量图5显示了原子力显微镜系统的所有组件和子系统。 
图5。原子力显微镜系统的组件和子系统。 （Z） 粗略Z运动转换器-此转换器将AFM头移向表面，以便力传感器可以测量探针和样品之间的力。翻译器的运动通常约为10毫米。 (T)粗X-Y平移台- XY平移台用于将AFM成像的样品切片直接放置在探针下方。 (X- p) X和Y压电换能器-当测量AFM图像时，X和Y压电换能器(Y- p)探头以光栅运动在表面上移动。 (FS)力传感器-力传感器通过监测悬臂梁的挠度来测量探针和样本之间的力。 (ZP) Z压电陶瓷-当X和Y压电换能器扫描探针时，将力传感器在垂直方向上移动到表面。 (FCU)反馈控制单元-反馈控制单元从轻杠杆力传感器接收信号，并输出驱动Z压电陶瓷的电压。这个电压是指在扫描时保持悬臂梁恒定偏转所需的电压。 (SG) X-Y信号发生器-探头在X-Y平面上的运动由X-Y信号发生器控制。测量图像时使用光栅运动。 (CPU)计算机:计算机用于设置扫描参数，如扫描大小、扫描速度、反馈控制响应和显微镜捕获的图像可视化。
(F)框架-一个坚实的框架支撑整个AFM显微镜。框架必须是非常刚性的，以便它不允许振动之间的尖端和表面。 注:未显示为光学显微镜，用于定位样品表面特征和监测探针接近过程。 用原子力显微镜测量图像•在显微镜中放置探针，对准光杠杆传感系统。 •用X-Y样品和光学显微镜放置将在AFM探针下直接成像的样品区域。 •接合Z平移台，使探针接触表面。 •开始在表面上扫描探针，并在计算机屏幕上查看表面的图像。 •将映像保存在计算机磁盘上。 原子力显微镜的分辨率传统的显微镜只有一种分辨率；图像平面内的分辨率。原子力显微镜有两种分辨率；测量平面和垂直于表面的方向。 在平面分辨率平面内分辨率取决于用于扫描的探头的几何形状。一般来说，探针越锐利，AFM图像的分辨率就越高。下图是两个球体的理论线扫描，分别用锐利探针和钝探针测量。 
图6。右边的图像分辨率更高，因为用于测量的探头更清晰。 垂直分辨率原子力显微镜的垂直分辨率是通过探头在表面上的相对振动来确定的。振动的来源是声噪声、地板振动和热振动。为了获得最大的垂直分辨率，需要将仪器的振动降至最低。 探针-表面相互作用探针和表面之间最强的力是机械力，当探针上的原子与表面上的原子发生物理作用时产生的力。然而，探针和表面之间的其他力也会对AFM图像产生影响。这些其他的力包括表面污染、静电力和表面材料的特性。 表面污染在周围空气中，所有表面都覆盖着一层非常薄的< 50纳米的污染层。这种污染可能由水和碳氢化合物组成，这取决于显微镜所处的环境。当AFM探针接触到表面污染时，毛细管力会将探针拉向表面。 静电力绝缘表面可以在其表面储存电荷。这些电荷可以与AFM探针或悬臂梁上的电荷相互作用。当扫描一个表面时，这种力非常强大，可以“弯曲”悬臂。 表面材料特性非均匀表面可以有不同硬度和摩擦的区域。当探针在表面上被扫描时，当从一个区域移动到另一个区域时，探针与表面的相互作用可以改变。这种力的变化可以提供一个“对比”，这对在非均匀表面上区分材料是有用的。欧洲杯足球竞彩 地形模式当用原子力显微镜扫描样品时，悬臂末端的探针向表面施加恒定的力。在原子力显微镜中用悬臂梁测量力有两种方法。第一种方法是直接测量悬臂梁的挠度。在第二种方法中，振动悬臂梁并测量振动特性的变化。 偏转模式使用AFM中的反馈控制，可以扫描具有固定悬臂挠度的样品。由于悬臂梁的挠度与表面上的力成正比，因此在扫描过程中会向表面施加恒定的力。这种扫描模式通常称为“接触”模式。然而，由于探针在表面上的力通常小于纳米牛顿，因此探针接触表面的程度最小。 
图7。在接触模式AFM中，探针在扫描时直接跟随表面形貌。在测量图像时，探头的力保持恒定。 振动模式原子力显微镜中的悬臂可以用压电陶瓷进行振动。当振动悬臂接近表面时，振动悬臂的振幅和相位可能发生变化。振动振幅或相位的变化很容易测量，这些变化可以与表面上的力有关。这种技术有很多名称，包括非接触模式和间歇接触模式。重要的是，针尖不要“敲击”表面，因为探头可能会破碎或样品可能会损坏。 
图8。在振动方法中，监测探头振动的变化，以确定探头对表面的作用力。反馈装置用于保持振动振幅或相位恒定。 材料传感模式探针与表面的相互作用取决于表面的化学和物理性质。可以测量相互作用，从而“感知”样品表面的材料。欧洲杯足球竞彩 振动材料传感模式如3.2节所述，在AFM扫描过程中，可以通过振动AFM悬臂梁来测量探针和表面之间的力。悬臂梁的幅值阻尼和相变量取决于表面的化学成分和表面的物理性质。因此，在不均匀的样品上，可以观察到不同机械或化学成分区域之间的对比。通常，在振动材料传感模式下，如果振幅被反馈单元固定，则通过测量相位变化来观察材料的对比度。这种技术有很多名字，包括相位模式，相位检测和力调制显微镜。 扭转模式在接触模式AFM中，当悬臂梁在表面上被扫描时，可以监测悬臂梁的扭转运动。 
图9。用原子力显微镜测量悬臂梁的扭转。悬臂梁扭转的变化是表面化学成分变化的指示。 悬臂梁的扭转量受地形变化以及表面化学性质变化的控制。如果曲面非常平坦，但在两种不同的材质之间有一个界面，则通常可以在曲面上对材质属性的变化进行成像。这种技术类似于侧向力显微镜（LFM）。欧洲杯足球竞彩 |